Mi historia se desarrolla dentro de un sistema solar, que se puede suponer que tiene una composición similar a la nuestra: una estrella de clase G, un puñado de planetas interiores rocosos y un puñado de gigantes gaseosos en la periferia. La historia de fondo es que se trataba de una colonia de la Tierra que llegó en una nave generacional hace muchos cientos de años y desde entonces ha perdido el contacto con la Tierra; aunque esto no es pertinente a la pregunta.
El entorno requiere una ciencia relativamente dura, por lo que la tecnología de ciencia ficción normal, como los amortiguadores de inercia, FTL y la gravedad artificial, están fuera de la mesa. En una serie de libros con un escenario similar , el viaje interplanetario se logró con "motores de fusión" que permiten el viaje subluminar entre planetas en unas pocas semanas o meses. Sin embargo, mientras que los reactores de fusión son factibles dentro de mi historia, una unidad de fusión todavía parece una solución manual al problema.
Lo que me gustaría usar en su lugar es una serie de megaestructuras en órbita alrededor de varios planetoides que actúan como grandes cañones gauss para "lanzar" naves de un planeta a otro. Esencialmente, las grandes naves interplanetarias estarían diseñadas para ser cargadas en los cañones y luego disparadas como proyectiles. Por supuesto, los cañones en sí tendrían que ser masivos, del orden de más de 25 km de longitud con requisitos de energía masivos para hacer funcionar las bobinas magnéticas. Cuando el barco llega al otro extremo, un mecanismo similar lo captura y usa el mismo conjunto de cañón de riel para reducir la velocidad.
Algunos problemas que he identificado con la tecnología y cómo podrían abordarse:
Lo que busco es una evaluación de este método de tránsito para viajes interplanetarios en comparación con otros métodos semirrealistas; como motores de fusión, propulsión iónica o cohetes químicos gigantes.
Para ser claro, mi narrativa requiere que este sea el método de viaje interplanetario que uso, así que no estoy buscando alternativas. Lo que quiero saber es qué tan realista es este método y/o si hay algún ajuste que pueda hacer para mejorarlo.
Algunas cosas a considerar:
Teóricamente sí, el concepto de arma espacial ha estado dando vueltas desde los días de Julio Verne , ciertamente no es nuevo.
El primer problema, como ya mencionaste, es sobrevivir al lanzamiento. Dado que también lo está utilizando como un mecanismo de captura, ha agregado la llegada sobreviviente a sus problemas.
La aceleración requerida para lograr una velocidad interplanetaria viable con un mecanismo de lanzamiento de armas de este tipo destruiría cualquier cosa más delicada que el ladrillo de una casa, e incluso es poco probable que salga completamente intacto.
Aceleración
https://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun
Una pistola espacial con un "cañón de pistola" de longitud ( l ) y la velocidad necesaria ( v ), la aceleración ( a ) es proporcionada por la siguiente fórmula:
a = v 2 /2l
Por ejemplo, con una pistola espacial con un "cañón de pistola" vertical a través de la corteza terrestre y la troposfera, con un total de ~60 km de longitud ( l ), y una velocidad ( v ) suficiente para escapar de la gravedad de la Tierra (velocidad de escape, que es de 11,2 km/s en la Tierra), la aceleración ( a ) sería teóricamente superior a 1000 m/s2, que es más de 100 fuerzas g, que es aproximadamente 3 veces la tolerancia humana a las fuerzas g de un máximo de 20 a 35 g durante los ~ 10 segundos que tomaría tal disparo.
Para reducir eso a un "razonable" o al menos sobrevivible, 30 g, significa que necesita un "cañón de pistola" de al menos 200 km de longitud, megaestructura es definitivamente la palabra correcta aquí. Económicamente, construir esto podría ser ruinoso, al igual que hacerlo funcionar. Dejaré los cálculos de energía al lector, ya que no se ha indicado la velocidad objetivo, pero probablemente pueda suponer eficiencias del 10 al 25%.
Existe la seguridad mínima típica involucrada en cualquier viaje espacial crudo, que espera perder, porque si golpea su monumento, será un gran cráter. Sin embargo, alcanzar la precisión de su objetivo para medir es solo una cuestión de matemáticas y si puede hacer que el lanzador funcione, es razonable apuntar bien. Sin embargo, y es un gran sin embargo, estás tratando de enhebrar una aguja atando el hilo a una bala y disparándole desde el otro lado de la habitación. Podría funcionar, pero es más probable que dejes una gran abolladura en el yeso a menos que seas realmente bueno.
El concepto básico tiene algunas ventajas, las "naves" pueden ser cápsulas básicas, mucho más baratas y simples que una nave interplanetaria autónoma. La mayor parte de la masa y el volumen se dedican a la carga. Si puede hacer que el sistema de lanzamiento sea lo suficientemente eficiente, posiblemente podría elaborar un modelo económico bajo el cual haga que los viajes sean comercialmente viables. (En la práctica, no puede, ya que de extremo a extremo tiene que ser efectivamente libre, pero eso no importa).
El control del tráfico espacial es una pesadilla, este es un modelo que requiere una tasa de flujo de tráfico mucho más alta que cualquier nave autónoma. Recuerde que para un solo barco que viaja por sus propios medios, el costo es el mismo, ya sea para el primer barco o para el centésimo. Para este sistema, el costo inicial masivo significa que el costo total efectivo se reduce para cada lanzamiento posterior. Es una estructura de 200 km de largo, cuesta una gran cantidad de dinero, tienes que conseguir una tasa de tráfico que la haga más barata que los lanzamientos individuales.
Hay una consideración crítica que ninguna de las respuestas hasta ahora parece cubrir (a menos que me la haya perdido).
La 3ra Ley del Movimiento de Newton Comúnmente resumida como "para cada acción hay una reacción igual y opuesta".
Esto significa que está acelerando su estación espacial en la dirección opuesta con cada lanzamiento. Esto, a su vez, significa que después de cada lanzamiento, su estación tiene que volver a la estación por medios tradicionales. No puedes escapar de esta realidad. O tienes que disparar y un objeto de igual masa a la misma velocidad en la dirección opuesta (realmente peligroso) o tienes que quemar los motores para contrarrestar el empuje.
Descargo de responsabilidad: todo esto es especulación desenfrenada de un aficionado entusiasta.
El problema, tal como lo veo, es que la aceleración es literalmente mortal.
Entonces, la solución es aumentar la velocidad más lentamente con un cañón gauss que toma la forma de una pista de levitación magnética que corre en un círculo amplio con un cambio de pista para curvarse suavemente hasta la trayectoria final. (tendría que ser una curva suave en lugar de una recta repentina simplemente porque el cambio de trayectoria afectaría la aceleración)
Su Catcher tendría la misma configuración, simplemente ingresaría a través de la vía de cambio y desaceleraría en el anillo hasta que alcance una velocidad lo suficientemente suave como para que pueda ser liberado del sistema de manera segura.
Esto tiene algunas ventajas, si aceleras a 1 g, obtendrás el beneficio de las fuerzas centrífugas sobre tus pasajeros hasta que te unas a la vía de cambio, lo que hace que las probables semanas de aceleración/desaceleración sean mucho más tolerables para el cuerpo humano.
Algunos problemas serían que su barco sería el único barco que podría estar en el bucle en cualquier momento, cualquier barco posterior lo alcanzaría rápidamente y colisionaría con el primero dentro del primer bucle. Por lo tanto, su infraestructura masiva tendría potencialmente una carga útil muy pequeña y un tiempo de respuesta bastante bajo.
La posibilidad de usar esto para carga es mucho más probable, podrías aplicar cambios de velocidad mucho más altos en el sistema sin preocuparte por pegar a personas frágiles y carnosas.
No creo que un cañón gauss sea una buena solución, en parte debido a la tremenda aceleración requerida y en parte debido a la enorme infraestructura necesaria. Sin embargo, es casi seguro que es posible.
Sugeriría una gran cantidad de estaciones electromagnéticas en forma de toro ancho alineadas para permitir que una nave sea acelerada a través de cada una. Cuando se necesitara el cañón, estas estaciones electromagnéticas se colocarían a lo largo de la trayectoria propuesta y la nave interplanetaria se aceleraría a través de cada una de ellas.
Después de que la nave hubiera partido, el "retroceso" tendría que amortiguarse usando las estaciones electromagnéticas para repelerse entre sí, ya que el final de la serie probablemente tendría que ser estaciones flotantes libres debido a las grandes longitudes involucradas.
Hay demasiadas variables para proporcionar números exactos, pero me imagino que el cañón debería tener una longitud del orden de decenas, si no cientos, de kilómetros si no quieres aplastar a la tripulación. Un desagradable pero sobrevivible 10g aplicado durante 40 segundos le daría a una nave espacial un delta v de 4 km/s, suficiente para llegar desde la órbita terrestre baja a Marte. Pero necesitaría 80 km de "tubo" de lanzamiento. Asumiendo que castigas brutalmente a 30 g, la misma velocidad podría lograrse en menos de 14 segundos con una longitud de tubo de alrededor de 26 km, sin embargo, creo que necesitarías mucha historia de fondo para explicar por qué la tripulación generalmente sobrevive en lugar de morir.
Un gran problema sería la alineación, especialmente si las estaciones de aceleración del otro extremo flotaran libremente. Dicho esto, con alta tecnología habría pensado que esto no debería ser insuperable. También estaría la cuestión del retroceso: las estaciones flotantes libres podrían chocar contra las otras partes del cañón si fallara la ruptura. Quizás algunos propulsores de emergencia podrían desalinearlos si esto sucediera para evitar la colisión.
La economía de esto dependería de demasiadas variables. Todo lo que diría es que se necesitaría una gran cantidad de energía eléctrica, al igual que estaciones orbitales masivas, por lo que tanto la energía como la construcción espacial deben ser relativamente baratas.
La seguridad depende en parte de las fuerzas utilizadas, incluso 10 g no son realmente "seguros" y 30 g son probablemente mortales en muchos casos.
La infraestructura sería enorme y no muy práctica. Se requeriría un nuevo cañón para cada destino, mientras que las embarcaciones de propulsión convencional podrían ir a cualquier parte.
Dudo que haya problemas serios con el cálculo de la trayectoria y la orientación correctas del cañón, aunque probablemente aún se requiera una corrección a mitad de camino mediante el uso de propulsores de algún tipo (el impulso iónico sería mi sugerencia aquí).
Sugiero que la nave lleve motores de iones como respaldo. Ya tendrán una poderosa capacidad de generación eléctrica para usar junto con el cañón gauss, por lo que tendría sentido usar esto para el plan de respaldo. El propulsor requerido también podría ser mucho más ligero ya que la velocidad de escape de un motor de iones es muy alta.
En resumen, es una idea interesante pero no tan práctica. Es posible que desee considerar otras variantes dependiendo de qué tan comprometido esté con la idea del cañón estático. ¿Quizás un cañón híbrido/propulsor de iones, un cañón de varias etapas o una serie de aceleradores similares a cañones en órbita continua utilizados por las naves en ambas direcciones para la aceleración y la desaceleración?
Siguiendo mi respuesta original, busqué estadísticas sobre aceleraciones 1G.
Encontré esta joya https://space.stackexchange.com/questions/840/how-fast-will-1g-get-you-there
Según mi estimación, a 1 g constante, los pasajeros pasarían 11 horas en el bucle en cada extremo, y aproximadamente dos días de tiempo de vuelo navegando entre la Tierra y Marte en condiciones óptimas a 401 235 m/s (estimado para un vuelo de 45 horas basado en en el perfil de vuelo óptimo con motor 1G con una rotación en el medio)
3 días hasta Marte suena genial, pero depende en gran medida de la capacidad del bucle para desviar ese tipo de velocidad en una curva. cuanto más poderosa sea la contención magnética, más pequeño puede ser el bucle.
La escala afecta todo, su proyectil se mueve 4000 veces más rápido que la bala más rápida, por lo que obliga a que su bucle sea muy grande, muy probablemente el bucle tendría que ser un anillo alrededor de la luna o la tierra misma, bajo esas circunstancias probablemente, su mejor opción sea construir múltiples instalaciones en órbita con sus propias secciones de bobinas de gauss. mucho más fácil que construir una estructura contigua y sería inherentemente mucho más fácil actualizar y reemplazar partes. también podría usar la instalación desde el día 1 de la construcción a capacidad reducida y mejorarla según lo permitan los fondos y los recursos.
Muy poco realista.
Viabilidad económica: el mantenimiento de los sistemas de cañones de riel es extremadamente costoso. Tal como está con las armas de riel en este momento. El barril debe cambiarse cada dos disparos porque se derrite debido al calor generado al acelerar la carga útil.
Seguridad: Extremadamente inseguro. Los pasajeros probablemente no sobrevivirían a la aceleración extrema del cañón. Tener combustible en la nave para corregir la trayectoria de vuelo sin duda resultaría en una explosión inmediata dentro del cañón.
Practicidad: no hay forma de atrapar el barco de manera efectiva. Además, como @Rekesoft ya dijo en el comentario, hay mejores sistemas de lanzamiento si ya comienzas desde la órbita.
Cálculo de trayectorias orbitales: No debería ser un problema.
Bucles
una. Aceleración gradual
Múltiples respuestas a esta pregunta han mencionado la idea de usar un bucle en lugar de un barril recto para aumentar la velocidad con el tiempo en lugar de convertir a los ocupantes de su nave en una pasta inducida por la fuerza G. Estoy totalmente de acuerdo con su idea, ya que nos permite eludir la necesidad de medidas de seguridad especiales para los ocupantes y agrega una peculiaridad interesante a su viaje espacial en el sentido de que los viajeros se verían obligados a esperar en estos bucles de aceleración durante un período antes de partir y después de llegar a los planetas.
b. Modularidad
El sistema se puede construir gradualmente, lo que hace que los viajes sean más rápidos y eficientes a medida que se instala cada nuevo módulo. Esto ayudará a compensar el costo gigantesco de las estructuras.
Psicología
Esto va a sonar extraño, pero creo que una de las mayores barreras de entrada aquí es psicológica. Si te pongo en un auto y te doy los controles, sientes que tienes el control. Sin embargo, si coloco a muchos individuos en un plano en el que no tienen control, se vuelven ansiosos e incluso simplemente incapaces de funcionar. Este problema se magnifica enormemente si voy a enviar personas a millones de millas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz sin forma de ayudarse a sí mismos en caso de que algo salga mal con el sistema de captura o se produzca un error de cálculo en su trayectoria. Esto me lleva a mi siguiente punto.
Orientación
Las naves espaciales pierden sus objetivos cuando simplemente tratar de golpear un planeta es una preocupación, y mucho menos golpear un objetivo pequeño, digamos de unos pocos cientos de metros de ancho. Por ejemplo, la zona de aterrizaje de Curiosity era una elipse de 12 millas por 4 millas. ¿Aterrizó dentro de esa elipse, sí, pero ese tipo de incertidumbre simplemente no funcionará en un sistema como este? La precisión está mejorando, pero siempre pueden ocurrir errores.
Fuente: https://www.nasa.gov/mission_pages/msl/multimedia/pia16039.html
Por supuesto, la nave espacial en este sistema nunca debería tener que lidiar con ningún tipo de resistencia aerodinámica o de resistencia del aire que los empuje fuera de su curso, pero a pesar de lo vacío que es el espacio, no puede asumir que su camino siempre estará despejado.
Recolección de energía
Una nota al margen interesante, y no es realmente un problema, de hecho es un beneficio. Su sistema de captura podría usar la nave espacial entrante para generar electricidad en la forma del generador eléctrico más grande del mundo. A medida que la nave espacial pasa a través de los electroimanes, podría usarse para generar una carga. El cargo resultante podría usarse para lanzar otras naves espaciales, lo que reduciría significativamente los costos de energía. (No sería una eficiencia del 100 %, pero con un sistema tan grande, cada Joule cuenta).
¡Feliz construcción del mundo!
Hay una razón adicional por la que las pistolas de bobina no se escalan a altas velocidades que rara vez se menciona.
Comencemos por dar un paso atrás y decir qué es una pistola de bobina. Una bobina es un gran lazo de alambre. Tenemos un proyectil de metal moviéndose a cierta velocidad hacia el agujero en el medio de la bobina. Pasamos una corriente a través del cable. Esto crea un campo magnético que atrae el proyectil hacia el centro de la bobina, acelerándolo. Cuando el proyectil atraviesa la bobina, apagamos la corriente, porque no queremos que tire del proyectil hacia la bobina.
Luego construimos muchas etapas para que en cada etapa el proyectil se acelere una cierta cantidad.
El problema por lo tanto es:
La corriente tiene que ser lo más alta posible, porque el imán tira más fuerte si la corriente es más alta.
La corriente tiene que estar encendida precisamente por la cantidad de tiempo correcta. Demasiado corto y no estás dando suficiente tirón; demasiado tiempo y estás tirando hacia atrás.
Las etapas iniciales, donde el proyectil se mueve lentamente, son fáciles. Son las etapas media y final, donde el proyectil se mueve a varios miles de metros por segundo, las que son complicadas. Si una bobina tiene un metro de largo, entonces el objeto está en la bobina por menos de un milisegundo y, por lo tanto, necesitamos disparar una corriente alta con mucha precisión.
Así que piensa en cómo hacer eso. Tenemos tecnología en nuestras computadoras para activar corrientes extremadamente pequeñas de una fracción de nanosegundo y podemos poner miles de millones de ellas en una pequeña oblea de silicio. Ahora piense en lo caliente que se pone su computadora cuando manipula esas corrientes extraordinariamente pequeñas. Esta es la tecnología que desea escalar hasta el punto en que las corrientes sean equivalentes al consumo actual de una ciudad pequeña. Los interruptores de alta velocidad están hechos de semiconductores . Por diseño, no son conductores perfectos, por lo que generan calor.
Si hace los cálculos, el disipador de calor que necesita para evitar que se derrita el interruptor de encendido y apagado de cada etapa de su pistola de bobina es enorme , y la gran cantidad de material semiconductor que necesita para lo que fácilmente sería el transistor más grande del mundo es inviable a precios de hoy. Para una etapa; y necesitarás miles de etapas.
En resumen: la electricidad que alimenta una gran pistola de bobina es barata y está fácilmente disponible a escala; es la electrónica en el sistema de control la que actualmente no sabemos cómo escalar a las corrientes requeridas para alcanzar las velocidades de los vehículos espaciales.
Debo admitir que he estado jugando con una idea similar, excepto a escala interplanetaria .
La gran ventaja es que está libre de restricciones de ecuaciones de cohetes. Como toda la energía se suministra externamente, no es necesario preocuparse por los estatorreactores Bussard y similares. También se requiere la presencia de un receptor, a menos que intente llevar todo el combustible para la fase de desaceleración, lo que prácticamente anula el punto. Si está haciendo eso, también podría tener una etapa de 'fase de aceleración' desmontable.
Entonces cuales son los problemas:
1) Como se mencionó anteriormente, aceleración sostenida masiva, a menos que tenga un conjunto de cañón de riel increíblemente largo. En un entorno de gravedad cero, una estructura de cientos de kilómetros de largo no es imposible. Supongo que en un entorno de vacío de gravedad cero no se necesitaría un barril, si sus imanes pueden mantener el proyectil en línea recta. De hecho, a las velocidades involucradas, un barril físico sería simplemente un peligro.
Para la carga útil, tendrías que ir más allá de los sofás de aceleración. Piense en una inmersión total en un fluido (sin espacios de aire, incluso en los pulmones o los oídos); posiblemente sólido congelado. Desea evitar cualquier contraste de densidad dentro del barco en las fases de aceleración/desaceleración, para permitir las cargas de más de 100 g. Una vez en fase de crucero, podrías salir de la vitrificación.
2) Seguridad - Bueno... ha acelerado un barco que pesa cientos de toneladas o más a, quizás, 1000 km/s. Siguiendo la fórmula de la energía cinética, e = 0.5*m*v^2, eso sería ~10^17 J Según Wiki, se trata de una Tsar Bomba ). Entonces, si algo sale mal y golpeas un planeta (no importa un KBO), dejarás una abolladura notable. Incluso en buenas condiciones, tu receptor tiene que disipar esa cantidad de energía en muy poco tiempo. Necesitarás condensadores muy, muy grandes.
3) Practicidad: siempre que el sistema sea confiable y se resuelvan los requisitos de energía, evitará enviar enormes tanques de combustible en órbitas largas y tediosas. Así que, en muchos sentidos, mejor que los cohetes químicos o las velas solares . También requiere algún tipo de tecnología de hibernación/sueño, como se indicó anteriormente.
4) Rutas orbitales: probablemente necesite algún tipo de ajuste a bordo, pero los cálculos serían bastante triviales. También querrá propulsores de ajuste en caso de que se detecte basura espacial en ruta, ya que las colisiones a velocidad de crucero serían muy, muy peligrosas.
El concepto de viaje interplanetario por cañón de riel no es del todo factible. Cuando O'Neill y sus asociados estaban desarrollando el concepto de hábitats espaciales L5, experimentaron con conductores de masa como método de lanzamiento de vehículos. Descubrieron que había un límite para los impulsores de masa de velocidad máxima o, como aquí, los cañones gauss podían alcanzar. A velocidades más altas, los vehículos destrozan sus lanzadores electromagnéticos.
Esta velocidad límite era de 4 km/s. Ahora los vehículos podrían ser lanzados desde la órbita a esta velocidad. La velocidad de los vehículos, debida al cañón gauss, se puede sumar a su velocidad orbital. Se podrían lanzar vehículos desde un planeta similar a la Tierra con una velocidad de 12 km/s.
Esto produce un viaje interplanetario factible. Los tiempos de viaje serán bastante largos. Seis a ocho meses de tiempo de viaje a planetas en el equivalente a las órbitas de Marte y Venus en su sistema solar hipotético. Más de muchos años para viajar a otros planetas. Funcionará pero será lento.
Esta forma de viaje está más o menos a la par con los cohetes químicos. Pero las unidades de fusión, plasma e iones funcionarán mejor y más rápido.
Vale, no sé cómo hacer que los números se vean bonitos, así que usaré bloques de código :(
Además, en aras de tener algunos números reales con los que trabajar, voy a suponer un agradable viaje simple de la Tierra a Marte en el punto en el que están más cerca. Todos los números están tomados de la NASA .
30g = 300 m/s^2
delta-v mars-earth = ~5,000 m/s
minimum distance mars-earth = 55,700,000
Entonces, antes que nada, ¿cuánto tiempo tendrá que durar esta arma? Dijiste alrededor de un minuto, así que daré números para 60 y 120 segundos. Para el resto de esta respuesta continuaré con los cálculos para cada uno de estos números, siendo el primero la nave acelerada durante 60 segundos y el segundo siendo la nave acelerada durante 120 segundos.
d = vi * t + 1/2 * a * t^2
d = 0 + 1/2(300)(60^2) = 540,000 m
d = 0 + 1/2(300)(120^s) = 2,160,000 m
¿Qué tan rápido nos lleva esto?
v = vi + a * t
v = 0 + 300(60) = 18,000 m/s
v = 0 + 300(120) = 36,000 m/s
Además, los 5000 m/s perpendicularmente de la diferencia entre las órbitas de Marte y la Tierra nos da:
sqrt(5000^2 + 18,000^2) = 18681 m/s
sqrt(5000^2 + 36,000^2) = 36345 m/s
En el punto en que la nave pasa por Marte. ¿Cuánto tiempo nos lleva este viaje?
t = d / v
t = 55,700,000/18,000 = 3094s
t = 55,700,000/36,000 = 1547s
Entonces, ¿cuánta energía vas a necesitar? Para ello necesitamos el peso de la embarcación. Dijiste que necesitamos poder realizar una inyección orbital, ¡así que la ecuación del cohete está entrando en escena! (¡YAY!) WolframAlpha tiene una buena herramienta incorporada para la ecuación del cohete, así que voy a darle todos los números aquí. . Asumo una masa seca (muy ligera) de 1.000 kg y disparo para no hacer nada más que llevar la nave por debajo de la velocidad de escape de Marte. Estas son las masas iniciales que obtenemos:
m0 = 15,180 kg (for the slower craft)
m0 = 523,219 kg (for the faster craft)
Ahora, ¿cuánta energía se necesitará para que estas naves se pongan al día?
E = 1/2*m*v^2
E = 1/2(15,180)(18,000^2) = 2,459,160,000,000 J
E = 1/2(523,219)(36,000^2) = 339,045,912,000,000 J
En realidad los requerimientos de energía no son tan horribles como me imaginaba, pero un cañón de 500 km de largo me parece bastante ridículo. ¡Juega con estos números como mejor te parezca para tratar de descubrir qué funciona para tu historia!
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